松软煤层瓦斯抽放钻孔塌孔机理及改进措施研究

发布时间：2017-04-12 17:04

  本文关键词：松软煤层瓦斯抽放钻孔塌孔机理及改进措施研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤层中坚固性系数小于0.8的煤层为松软煤层,并且高瓦斯松软煤层在我国分布广泛,松软煤层被称为煤与瓦斯动力灾害的 温床‖。高瓦斯松软煤层深孔钻进塌孔是制约瓦斯高效抽采的困难之一。相比其它岩层,松软煤层具有特殊物理力学性质,其特殊性导致松软煤层瓦斯抽放钻孔在钻进过程中容易导致钻孔钻进不深,钻孔变形、坍塌等现象,极大降低了瓦斯抽采率,严重限制了工程进度,影响安全生产。因此研究松软煤层塌孔机理十分必要。本文以余吾煤矿N2202工作面为工程背景,针对其煤层坚固性系数小这一特点,考虑煤体孔隙流体情况下,基于Mohr-Coulomb强度准则,分别建立水平钻孔和倾斜钻孔坍塌失效的线弹性力学模型,分析钻孔失稳的力学条件及计算钻孔坍塌的临界应力,并且研究了钻孔坍塌临界应力随煤体基本力学参数、钻孔轨迹和煤层流体压力等因素的变化规律。通过收集余吾煤矿N2202工作面煤体基本力学参数,凭借FLAC3D有限元数值模拟手段,采用对比分析的方法,针对裸眼钻孔和下套管钻孔,分析其变形的应力场、位移场、塑性区范围等的变化情况,研究埋深、侧压系数、钻孔直径等对钻孔变形的影响机制。主要研究成果如下:(1)随着煤体原始流体压力增大,钻孔坍塌临界应力、坍塌风险率及衰减的速率和幅度均随之增大,到达稳定的时间缩短。当钻孔倾角小于60°时,方位角为30°左右时,钻孔极不稳定;当钻孔倾角大于60°时,情况完全相反,钻孔稳定性在方位角为90°左右时最差;当钻孔倾角为60°时,方位角对钻孔稳定性的影响甚微。在松软煤层打钻时,钻孔倾角设置为22.5°最为合适。(2)当埋深小于600m时,埋深对钻孔变形影响范围较小,当埋深大于600m后,埋深对钻孔变形速率急剧增加,钻孔缩径明显,垂直位移和塑性区范围增大速率加快。(3)同侧压系数λ=0.5时的钻孔最大围岩垂直应力相比,侧压系数λ=1.0、1.5、2.0时的最大围岩垂直应力分别增大了1.4、2.6、3.05MPa。侧压系数增大,钻孔承受综合应力增加,钻孔稳定性降低。(4)钻孔直径越大,对煤层产生的扰动作用越强,钻孔越不稳定。(5)在下套管条件下,钻孔围岩垂直位移、最大垂直应力作用点与钻孔中心距离、塑性区范围均随着套管强度的增加而减小。(6)根据以上的理论分析及数值模拟,埋深对余吾煤业钻孔稳定性影响较小,而侧压系数、钻孔直径、钻孔支撑压力是影响钻孔稳定性的主要因素。因此,建议在松软煤层地质构造引起综合应力增加的区域,应采取小直径钻孔、增加钻孔支护强度等方式提高钻孔稳定性,保障钻孔瓦斯抽采。
【关键词】：松软煤层 瓦斯抽采 钻孔塌孔机理 数值模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-16
• 1.2 国内外研究现状16-21
• 1.2.1 钻孔稳定性力学方面研究16-18
• 1.2.2 松软煤层钻孔失稳的控制方法18-21
• 1.3 研究内容、目标与技术路线21-23
• 1.3.1 研究内容21
• 1.3.2 研究目标21
• 1.3.3 技术路线21-23
• 第二章 影响瓦斯抽放钻孔稳定性问题的因素23-33
• 2.1 地质因素23-26
• 2.2 内聚力与坚固性系数26-27
• 2.3 钻孔液27-28
• 2.3.1 钻孔液的密度27
• 2.3.2 钻孔液的水化作用27-28
• 2.3.3 钻孔液的直接冲刷作用28
• 2.4 钻孔工艺28-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 瓦斯抽放钻孔坍塌机理33-51
• 3.1 软煤瓦斯抽放钻孔力学分析33-36
• 3.1.1 水平孔周围弹性应力分布33-35
• 3.1.2 倾斜孔周围弹性应力分布35-36
• 3.2 孔壁失稳破坏准则36-39
• 3.2.1 Mohr-Coulomb强度准则37-38
• 3.2.2 Drucker-Prager强度准则38-39
• 3.2.3 强度破坏准则的选择39
• 3.3 瓦斯抽放钻孔坍塌（剪切破坏）条件39-42
• 3.3.1 水平瓦斯抽放钻孔坍塌条件[58]39-40
• 3.3.2 倾斜瓦斯抽放钻孔坍塌条件[70]40-42
• 3.4 瓦斯抽放钻孔坍塌的影响因素42-49
• 3.4.1 水平钻孔坍塌的影响因素42-43
• 3.4.2 倾斜钻孔坍塌的影响因素43-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第四章 余吾煤矿瓦斯抽放钻孔塌孔数值模拟与应用51-73
• 4.1 矿井生产概况51-52
• 4.1.1 煤层赋存特征及煤质51
• 4.1.2 井田构造51-52
• 4.1.3 井田开拓52
• 4.1.4 通风及瓦斯52
• 4.2 FLAC~(3D)程序简介52-54
• 4.2.1 FLAC~(3D)基本原理53
• 4.2.2 FLAC~(3D)的特点53
• 4.2.3 FLAC~(3D)计算过程53-54
• 4.3 数值模型的建立54-55
• 4.4 不同条件对钻孔变形破坏特征的数值模拟55-70
• 4.4.1 钻孔埋藏深度55-58
• 4.4.2 侧压系数58-61
• 4.4.3 钻孔直径61-65
• 4.4.4 有无下套管65-70
• 4.5 钻孔稳定性的改进措施及施工建议70-71
• 4.6 本章小结71-73
• 第五章 结论与展望73-75
• 5.1 主要结论73-74
• 5.2 研究展望74-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-83
• 在校期间科研活动及研究成果83

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